操作系统的运行机制中断异常以及系统调用

Posted 2021-09-06 bfhonor

一、操作系统的运行机制

（一）程序是如何运行的？

• “指令”就是处理器（CPU）能识别、执行的最基本命令。
• 注：很多人习惯把 Linux、Windows、MacOS 的“小黑框”中使用的命令也称为“指令”，其实这是“交互式命令接口”，注意与本节的“指令”区别开。
• 本节中的“指令”指二进制机器指令

（二）内核程序 v.s. 应用程序

• 我们普通程序员写的程序就是“应用程序”
• 微软、苹果有一帮人负责实现操作系统，他们写的是“内核程序”
• 由很多内核程序组成了“操作系统内核”，或简称“内核（Kernel）”
• 内核是操作系统最重要最核心的部分，也是最接近硬件的部分
• 甚至可以说，一个操作系统只要有内核就够了（eg：Docker—>仅需Linux内核）操作系统的功能未必都在内核中，如图形化用户界面 GUI

（三）两种指令—特权指令和非特权指令

• 程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程
• 在CPU设计和生产的时候就划分了特权指令和非特权指令，因此CPU执行一条指令前就能判断出其类型
  

（四）两种处理器状态—内核态和用户态

• CPU 有两种状态，“内核态”和“用户态”
  ①、处于内核态时，说明此时正在运行的是内核程序，此时可以执行特权指令
  ②、处于用户态时，说明此时正在运行的是应用程序，此时只能执行非特权指令

1. 内核态、用户态的切换

• 内核态→用户态：执行一条特权指令——修改PSW的标志位为“用户态”，这个动作意味着操作系统将主动让出CPU使用权
• 用户态→内核态：由“中断”引发，硬件自动完成变态过程，触发中断信号意味着操作系统将强行夺回CPU的使用权
  【但凡需要操作系统介入的地方，都会触发中断信号】

二、中断和异常

（一）中断的作用

• “中断”会使CPU由用户态转变为内核态，使操作系统重新夺回对CPU的控制权。
• CPU 上会运行两种程序，一种是操作系统内核程序（其是整个系统的管理者），一种是应用程序
• 在合适的情况下，操作系统内核会把CPU的使用权主动让给应用程序
• “中断”是让操作系统内核夺回CPU使用权的唯一途径
• 如果没有“中断”机制，那么一旦应用程序上CPU运行，CPU就会一直运行这个应用程序，也就没有“并发”的概念了

（二）中断的类型

1. 内中断（也称为“异常”）

2. 外中断

3. 中断的分类

（三）中断机制的基本原理

• 不同的中断信号，需要用不同的中断处理程序来处理。当CPU检测到中断信号后，会根据中断信号的类型去查询“中断向量表”，以此来找到相应的中断处理程序在内存中的存放位置。
  

三、系统调用

（一）什么是系统调用？

• 操作系统作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口由一组系统调用组成。
  
• “系统调用”是操作系统提供给应用程序（程序员/编程人员）使用的接口，可以理解为一种可供应用程序调用的特殊函数，应用程序可以通过系统调用来请求获得操作系统内核的服务

（二）系统调用与库函数的区别

（三）为什么系统调用是必须的？

（四）什么功能要用系统调用实现？

• 应用程序通过系统调用请求操作系统的服务。而系统中的各种共享资源都由操作系统内核统一掌管，因此凡是与共享资源有关的操作（如存储分配、I/O操作、文件管理等），都必须通过系统调用的方式向操作系统内核提出服务请求，由操作系统内核代为完成。这样可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。
  

（五）系统调用的过程

• 传递系统调用参数 → 执行陷入指令（用户态） → 执行相应的内请求核程序处理系统调用（核心态） → 返回应用程序
• 注意：
  ①、陷入指令是在用户态执行的，执行陷入指令之后立即引发一个内中断，使CPU进入核心态。
  ②、发出系统调用请求是在用户态，而对系统调用的相应处理在核心态下进行